Viisi lasimaista mysteeriä, joita emme vieläkään pysty selittämään: metallilaseista odottamattomiin analogeihin

Virtaava myytti

Katso minkä tahansa keskiaikaisen kirkon lasimaalausten läpi, ja näet lähes varmasti vääristyneen näkymän. Vaikutus on jo pitkään saanut sekä tiedemiehet että ei-tieteilijät epäilemään, että lasi virtaa riittävän ajoissa kuin poikkeuksellisen viskoosi neste. Mutta onko tällä väitteellä perää?

Kysymys ei ole niin suoraviivainen kuin miltä se aluksi näyttää. Todellisuudessa kukaan ei voi sanoa tarkasti, milloin neste lakkaa olemasta nestettä ja alkaa olla lasi. Perinteisesti fyysikot sanovat, että nesteestä on tullut lasi, kun atomirelaksaatio – aika, jolloin atomi tai molekyyli siirtää merkittävän osan halkaisijastaan ​​– on yli 100 sekuntia. Tämä rentoutumisaste on noin 10¹⁰ kertaa hitaammin kuin juoksevassa hunajassa, ja 10¹⁴ kertaa hitaammin kuin vedessä. Mutta tämän kynnyksen valinta on mielivaltainen: se ei heijasta selvää muutosta perusfysiikassa.

Siitä huolimatta 100 sekunnin rentoutuminen on ehdottoman tärkeää kaikkiin ihmistarkoituksiin. Tällä nopeudella tavallisen natronkalkkilasin pala kuluisi aionien virtaamiseen hitaasti ja muuttuisi energeettisesti edullisemmaksi kiteiseksi piidioksidiksi – joka tunnetaan myös kvartsina. Jos keskiaikaisten kirkkojen lasimaalaukset ovat vääntyneet, se johtuu todennäköisesti alkuperäisen lasintekijän (nykyaikaisten standardien mukaan) huonosta tekniikasta. Toisaalta kukaan ei ole tehnyt tuhatvuotista kokeilua tarkistaakseen.

"Ihanteelista" lasia etsimässä

Kun neste jäähtyy, se voi joko kovettua lasiksi tai kiteytyä. Lämpötila, jossa neste muuttuu lasiksi, ei kuitenkaan ole kiinteä. Jos nestettä voidaan jäähdyttää niin hitaasti, että se ei muodosta kiteitä, neste muuttuu lopulta lasiksi alemmassa lämpötilassa ja muodostaa sen seurauksena tiheämmän. The Yhdysvaltalainen kemisti Walter Kauzmann pani merkille tämän tosiasian 1940-luvun lopulla ja käytti sitä ennustaakseen lämpötilan, jossa lasi muodostuisi, jos neste jäähtyisi "tasapainoon" - toisin sanoen äärettömän hitaasti. Tuloksena olevalla "ihanteellisella lasilla" olisi paradoksaalisesti sama entropia kuin kiteellä, vaikka se on edelleen amorfinen tai epäjärjestynyt. Pohjimmiltaan ihanteellinen lasi on sellainen, jossa molekyylit on pakattu yhteen tiheimmässä mahdollisessa satunnaisessa järjestelyssä.

Vuonna 2014 fyysikot mukaan lukien Giorgio Parisi Rooman Sapienza-yliopistosta Italiasta (joka jakoi vuoden 2021 fysiikan Nobelin työstään "häiriöiden ja fyysisten järjestelmien vaihtelujen vuorovaikutuksessa") laati tarkan vaihekaavion ihanteellisen lasin muodostamiseksi (matemaattisesti helpommin) äärettömien tilamittojen rajalla. Yleensä tiheys voi olla järjestysparametri eri tilojen erottamiseksi, mutta lasin ja nesteen tapauksessa tiheys on suunnilleen sama. Sen sijaan tutkijat joutuivat turvautumaan "päällekkäisyyteen", joka kuvaa molekyylien samankaltaisuutta eri mahdollisissa amorfisissa konfiguraatioissa samassa lämpötilassa. He havaitsivat, että kun lämpötila on pienempi kuin Kauzmannin lämpötila, järjestelmä on taipuvainen putoamaan erilliseen tilaan, jossa on suuri päällekkäisyys: lasifaasi.

Kolmessa ulottuvuudessa, tai jopa missä tahansa pienessä äärellisessä määrässä ulottuvuuksia, lasisiirtymäteoria on vähemmän varma. Jotkut teoreetikot ovat yrittäneet kuvata sitä termodynaamisesti, jälleen käyttämällä ideaalilasikäsitettä. Toiset uskovat, että se on "dynaaminen" prosessi, jossa asteittain alemmissa lämpötiloissa yhä useammat molekyylitaskut pysähtyvät, kunnes koko massasta tulee enemmän lasia kuin ei. Kahden leirin kannattajat ovat olleet kiistassa pitkään. Parin viime vuoden aikana kuitenkin tiivistettyjen aineiden teoreetikko Paddy Royall ESPCI Parisissa Ranskassa ja kollegat väittävät osoittaneensa, kuinka nämä kaksi lähestymistapaa voidaan suurelta osin sovittaa yhteen (J. Chem. Phys. 153 090901). "Suuri osa vastustuksesta [sopimusta kohtaan], jonka näimme 20 vuotta sitten, on menetetty", hän sanoo.

Kaksi tietä parempaan lasiin

Voit muuttaa lasin ominaisuuksia kahdella perusvaihtoehdolla: muuttaa sen koostumusta tai muuttaa tapaa, jolla se käsitellään. Esimerkiksi boorisilikaatin käyttäminen tavallisen soodan ja kalkin sijaan tekee lasista vähemmän alttiita rasitukselle kuumennettaessa, minkä vuoksi borosilikaattilasia käytetään usein puhtaan natronkalkin sijasta leivonnaisissa. Jotta lasista tulee entistä lujempi, sen ulkopinta voidaan jäähdyttää nopeammin kuin sen irtotavaraa "karkaisussa", kuten Corningin alkuperäisessä Pyrexissä.

Toinen Corningin innovaatioista, Gorilla Glass älypuhelimille, sisältää monimutkaisemman koostumuksen ja käsittelyn reseptin vahvojen, naarmuuntumattomien ominaisuuksiensa saavuttamiseksi. Sydämessä alkali-alumiinisilikaattimateriaali, se tuotetaan levyn välissä erityisellä nopeasti sammutetulla "fuusiovedetyllä" prosessilla, ennen kuin se upotetaan sulaan suolaliuokseen kemiallista lisävahvistusta varten.

Yleensä mitä tiheämpi lasi on, sitä vahvempi se on. Viime vuosina tutkijat ovat havainneet, että erittäin tiheää lasia voidaan luoda fysikaalisella höyrypinnoituksella, jossa höyrystynyt materiaali kondensoituu pinnalle tyhjiössä. Prosessin avulla molekyylit voivat löytää tehokkaimman pakkauksensa yksi kerrallaan, kuten Tetris-peli.

Metallin hallitseminen

in 1960 Pol Duwez, belgialainen kondensoituneiden aineiden fyysikko, joka työskentelee Caltechissa Kaliforniassa, Yhdysvalloissa, jäähdytti nopeasti sulaa metallia jäähdytettyjen telojen välissä – tekniikkaa, joka tunnetaan nimellä splat quenching – kun hän huomasi, että jähmettyneet metallit olivat muuttuneet lasimaisiksi. Siitä lähtien metallilasit ovat kiehtoneet materiaalitutkijat, osittain siksi, että niitä on niin vaikea valmistaa ja osittain niiden epätavallisten ominaisuuksien vuoksi.

Koska mikään tavallisille kiteisille metalleille ominaisista rakerajoista ei ole, metallilasit eivät kulu helposti, minkä vuoksi NASA on testannut niitä avaruusroboteissaan käytettäväksi voiteluaineettomissa vaihteistoissa. Nämä lasit vastustavat myös liike-energian imeytymistä – esimerkiksi materiaalista valmistettu pallo pomppii oudon pitkään. Metallisilla laseilla on myös erinomaiset pehmeät magneettiset ominaisuudet, mikä tekee niistä houkuttelevia erittäin tehokkaille muuntajille, ja niitä voidaan valmistaa monimutkaisissa muodoissa, kuten muovista.

Monet metallit muuttuvat lasimaisiksi (jos ne ylipäätään tekevät niin) henkeäsalpaavan nopealla jäähtymisnopeudella – miljardeja asteita sekunnissa tai enemmän. Tästä syystä tutkijat etsivät yleensä metalliseoksia, jotka siirtyvät helpommin, tyypillisesti yrityksen ja erehdyksen avulla. Viime vuosina kuitenkin Ken Kelton Washingtonin yliopistossa St Louisissa, Yhdysvallat ja kollegat ovat ehdottaneet, että on mahdollista ennustaa todennäköinen lasittumislämpötila mittaamalla nestemäisen metallin leikkausviskositeettia ja lämpölaajenemista (Acta Mater. 172 1). Kelton ja hänen tiiminsä juoksivat a Kansainvälisen avaruusaseman tutkimushanke, tutkia lämpötilaa, jossa metalli todella muuttuu lasimaiseksi, ja havaitsi, että siirtymäprosessi alkaa metallin ollessa vielä nestemäinen. Mittaamalla nesteen viskoosisuutta tutkijat voivat nyt määrittää, muodostuuko lasi ja mitkä ovat sen ominaisuudet. Jos ennustamisesta tulee yleistä, niin myös metallilasit kaupallisissa laitteissa voisivat olla. Itse asiassa yhdysvaltalainen teknologiayritys Apple on pitkään hallussaan patenttia metallilasin käytölle älypuhelinten kuorissa, mutta se ei ole koskaan toteuttanut sitä käytännössä – ehkä siksi, että taloudellisesti kannattavaa metallilasia on vaikea löytää.

Vaiheenmuutosmateriaalien tulevaisuus

Lasien ja kiteiden mekaaniset ominaisuudet voivat olla erilaisia, mutta yleensä niiden optiset ja elektroniset ominaisuudet ovat melko samanlaiset. Harjoittamattomalle silmälle esimerkiksi normaali piidioksidilasi näyttää lähes samalta kuin kvartsi, sen kiteinen vastine. Mutta joillakin materiaaleilla – erityisesti kalkogenideillä, jotka sisältävät alkuaineita jaksollisen järjestelmän happiryhmästä – on optisia ja elektronisia ominaisuuksia, jotka eroavat huomattavasti lasimaisessa ja kiteisessä tilassaan. Jos nämä materiaalit sattuvat myös olemaan "huonoja" lasinmuodostajia (eli kiteytyvät vaatimattomasti kuumennettaessa), ne toimivat ns. faasinmuutosmateriaaleina.

Useimmat meistä ovat joskus käsitelleet vaiheenmuutosmateriaaleja: ne ovat uudelleenkirjoitettavien DVD-levyjen ja muiden optisten levyjen tallennusvälineitä. Aseta yksi näistä sopivaan asemaan, ja laser voi vaihtaa minkä tahansa bitin levyllä lasimaisen ja kiteisen tilan välillä, edustaen binaarista nollaa tai ykköstä. Nykyään optiset levyt ovat suurelta osin syrjäytyneet elektronisella "flash"-muistilla, jolla on suurempi tallennustiheys ja jossa ei ole liikkuvia osia. Kalkogenidilasia käytetään joskus myös integroiduissa fotonisissa optisissa piireissä, kuten tässä kuvassa. Vaiheenmuutosmateriaalit ovat edelleen löytäneet sovelluksia tietojen tallentamisesta Yhdysvaltalainen teknologiayritys Intel ja sen "Optane" merkkinen muisti, johon on nopea pääsy, mutta joka ei haihdu (se ei poistu, kun virta katkaistaan). Tämä sovellus on kuitenkin markkinarako.

Kannattavampaa, sanoo solid-state-teoreetikko Matthias Wuttig RWTH Aachenin yliopistossa, Saksassa, on kysyä, mistä vaihemuutosominaisuus tulee. Neljä vuotta sitten hän ja muut ehdottivat uudenlaista kemiallista sidosta, "metavalenttista" sidosta, selittääkseen sen alkuperän. Wuttigin mukaan metavalenttinen sidos tarjoaa jonkin verran elektronien siirtämistä, kuten metallisidoksessa, mutta siihen on lisätty elektroneja jakava luonne, kuten kovalenttisessa sidoksessa. Ainutlaatuiset ominaisuudet, mukaan lukien vaiheenmuutos, tulos (Adv. Mater. 30 1803777). Kaikki alan työntekijät eivät halua lisätä oppikirjoihin uudenlaista sidontaa, mutta Wuttig uskoo, että todiste on vanukas. "Nyt kysymys kuuluu, onko [metavalentilla sidoksella] ennustusvoimaa", hän sanoo. "Ja olemme vakuuttuneita, että niin on."

Lasi siellä, missä sitä vähiten odotat

Musiikkifestivaalien fanit tunnistavat ilmiön: yrität hitaasti poistua esityksestä tuhansien muiden ihmisten kanssa, kun yhtäkkiä yleisö pysähtyy, etkä voi enää liikkua. Kuten molekyyli jäähtyvässä sulassa piidioksidissa, liikkeesi pysähtyy yhtäkkiä – sinä ja festivaalikollegasi olette muuttuneet lasiksi. Tai ainakin lasianalogia.

Muita lasianalogeja ovat muurahaispesäkkeet, objektilasien väliin jääneet biologiset solut ja kolloidit, kuten partavaahto (katso kuva yllä). Erityisesti kolloidit, joiden hiukkasten koko on jopa mikrometriä, ovat käteviä järjestelmiä lasisiirtymäteorioiden testaamiseen, koska niiden dynamiikka voidaan itse asiassa nähdä mikroskoopin läpi. Vielä yllättävämpää on kuitenkin lasin käyttäytymisen alkaminen tietyissä tietokonealgoritmeissa. Esimerkiksi, jos algoritmi on suunniteltu etsimään asteittain parempia ratkaisuja ongelmaan, jossa on suuri määrä muuttujia, se voi hukkua monimutkaisuuteen ja pysähtyä ennen kuin optimaalinen ratkaisu löytyy. Lainaamalla lasien perustutkimukseen suunniteltuja tilastollisia menetelmiä voidaan kuitenkin parantaa tällaisia ​​algoritmeja ja löytää parempia ratkaisuja.